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史上最肝“科学家”:每天工作21小时 8天做688个实验

新闻来源: 环球科学 于2020-07-09 13:58:03  提示:新闻观点不代表本网立场




为了做(an)好(shi)科(bi)研(ye),许多研究生每天大多数时间都泡在实验室里。相比于9-9-6的上班族,不少自嘲为“科研民工”的研究生的工作时间也毫不逊色。但如果你只是缺乏创造力、按部就班地在实验室“搬砖”(尤其是学化学的),现在,你可能有麻烦了。

在最新一期《自然》杂志的封面文章中,利物浦大学的科学家利用一款机器人“化学家”,设计出了效率更高的光催化剂。这个机器人不仅干活利索、操作速度远超人类,就连勤奋度你也赢不过它——每天除了充电的2.5个小时,机器人可以全天候工作。不过不用过分担心——只要你有好的科学想法,机器人再快也抢不走你的饭碗。

撰文 | 吴非

借助机器人完成化学实验,已经并不是第一次见诸报端了。人工智能正在帮助科学家预测化合物性质、研发新药物。与此同时,一些机器人也在实验操作中崭露头角。不过,它们与其说是科学家,不如说只是实验室中的工具“人”——安装了特定硬件设备,可以按照指令完成实验的某个步骤,仅此而已。那么,利物浦大学安德鲁·库珀(Andrew Cooper)团队开发的这款实验室机器人,有什么不同呢?


这款机器人身高1.75米,与“科研民工”相当。但它的体重足足有400千克,除了本身的材料更重之外,机器人还有一个巨大的立方体底座,不仅装载了机器人的“大脑”,还让它能够在实验室的不同工作台之间自由移动。

机器人移动时依靠的不是视觉系统,而是将激光扫描与触觉反馈相结合,从而完成定位。因此,即使在黑暗的环境中,它也能自由移动、顺利完成实验。这样的好处可不仅是在夜晚压榨机器人时可以省下电费,还有助于完成一些需要黑暗环境的光敏反应。



图片来源:安德鲁·库珀

脚下灵活的机器人,手头上的操作能力更是胜过人类操作员。从给固体试剂称重、配制液体试剂、抽出容器中的空气、启动催化反应再到计量反应产物,这台机器人可以独立完成一项化学实验中的全部操作流程。在库珀的化学实验室中,机器人每天的工作时长为21.5个小时。而剩下的2.5小时呢,不是机器人不想干,而是它必须得停下来充会电了。

机器人在实验室中的一天

寻找高效催化剂

在这篇《自然》论文中,机器人的任务是提升将水分解成氢气(即析氢反应)的反应效率。当然,机器人并不是从零开始尝试,化学家已经找到了一些有着不错效果的光催化剂。而机器人的工作,是通过改变实验条件进一步提升其催化效果。

在这项研究中,机器人的目标是一种被称作P10的共轭有机聚合物。之前的研究已经发现,P10在空穴捕获剂存在时,对析氢反应有着不错的催化效果。(光催化剂在光的激发下,产生空穴和电子。而空穴捕获剂可以消耗空穴,防止空穴与电子结合,从而提升了催化反应效率。)

机器人的第一项工作是从30款候选空穴捕获剂中,找到了最具潜力的一个——L-半胱氨酸。为了进一步提升析氢反应的效率,研究人员提出了5套候选方案:

1. 通过染料增强对光的吸收能力;

2. 添加氢氧化钠,从而改变溶液pH值;

3. 加入氯化钠,增加离子强度;

4. 通过表面活性剂改变催化剂的润湿性;

5. 加入二硅酸钠,因为研究人员认为二硅酸钠有可能提升L-半胱氨酸的效果。

尽管提出了这些假设,但要从这些变量中筛选出有用的选项,并且找到最佳用量,需要花费研究人员大量时间。这时,就轮到机器人发挥实力了。



8天完成实验

为了通过实验筛选出效率最高的反应条件,机器人需要同时改变3种染料、氢氧化钠浓度、氯化钠浓度、两种表面活性剂以及二硅酸钠浓度。再加上P10和L-半胱氨酸的浓度,机器人需要同时对10个维度进行思考。

要遍历完所有组合,需要进行9800万次操作,这显然不切实际。为此,研究人员为机器人开发了一套算法。通过贝叶斯优化,机器人可以在实验过程中根据前一轮实验的结果,自主选择接下来的实验参数。这样的设置显著提升了搜索效率。





机器人通过最初的22次摸索很快发现,加入氯化钠可以小幅提升析氢反应的效率。而在大约150次实验,也就是经过两天的尝试之后,机器人排除了3种染料以及两种表面活性剂。

最终,机器人找到了让析氢反应达到最高效率的实验条件:在5毫升的水中,加入5毫克P10、6毫克氢氧化钠、200毫克L-半胱氨酸和7.5毫克二硅酸钠。在这样的条件下,光催化剂的活性提升了5倍。

为了实现这一目标,机器人付出了多少努力呢?花费8天时间,工作172小时;移动了319次,移动总距离2.17千米;进行了6500项操作,实施了43批、共688次实验。

论文指出,人类科学家要达到这一目标,需要进行数月的尝试。一个鲜明的对比是,操作人员完成一次实验需要半天时间,而机器人的速度是人类手工操作的1000倍。

手速惊人的机器人“化学家”

机器人:团队新成员

在这项特定的研究中,相比于人类,机器人“化学家”展现出诸多优势。除了速度上的巨大优势,机器人不会像人类一样产生确认性偏差,并且犯错的几率也较低。这项研究中负责编程的利物浦大学博士生本杰明· 伯格(Benjamin Burger)表示,最大的挑战是让系统具有鲁棒性。一旦做到这一点,机器人在工作中犯错的几率将远低于人类。并且由于实验室有摄像头监控,一旦出错,研究人员也可以远程重启。

另外值得一提的是,研究人员几乎不需要为机器人特地改造实验室。在这项研究中,除了为该试验流程而搭建的光解台,其他工作台都没有经过改造——也就是说,人类科学家使用的仪器设备,机器人可以直接拿来使用。

论文还认为,机器人的能力还能得到进一步提升。这项研究中,它同时处理10个维度的信息,而通过修改算法,可以让机器人同时在20个维度上进行思考。

不过,现在可以说机器人“化学家”超越人类了吗?相信你已经注意到,虽然实验操作过程是机器人加以思考,并且独立自主完成的,但设计出这一课题、提出5套候选方案以及候选化学试剂的,都是人类化学家。因此,虽然机器人能够对实验过程进行独到的思考,但这样的科学思想,是机器人尚未具备的能力。

在领导这项研究的库珀看来,研发这款机器人的目的不是取代化学家,而是通过让实验者自动化。这些机器人将成为研究团队的一员,它们高效完成实验工作,从而让人类研究者拥有更多时间进行创造性思考。

原始论文:

A mobile robotic chemist

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2442-2
网编:和评

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